基于磁流变阻尼器的大型太阳翼有限元分析及振动抑制研究

摘要

太阳翼作为航天器重要能量来源，为航天器提供能量以保证其正常运行。为了确保足够的能量供应，太阳翼结构尺寸越来越大，其质心距航天器本体相对较远，在不同的激励作用下，太阳翼形成复杂的刚柔耦合振动，对航天器的运行稳定性有着不可忽视的影响。本文以某航天器太阳翼及驱动系统为研究对象，针对由于空间粒子撞击以及驱动系统不平稳激励引起的太阳翼系统振动问题，提出通过磁流变阻尼器减振作用，降低太阳翼振动造成的不利影响。 本文的主要研究工作包括： (1) 运用有限元法，对太阳翼进行结构分析。在合理假设和简化基础上，构建太阳翼有限元模型，基于结构稳定性及轻量化原则，对比分析太阳翼框架、铰链及帆板材料对系统基频的影响，结果表明采用多属性材料分布式布局框架以及以蜂窝铝为基体、上下两层为复合碳纤维的层合板帆板结构，可在满足轻量化前提下，有效提高太阳翼的基频。 (2) 分析太阳翼动力学响应特性，验证阻尼器介入控制的有效性。对已确定的太阳翼模型进行有限元分析，得到其低阶固有频率及模态振型。基于模态分析方法，分析了空间粒子撞击下太阳翼的振动响应，验证阻尼介入对降低太阳翼根部干扰力矩及抑制帆板振动的有效性。进一步考虑太阳翼的不平稳驱动激励，提出两种可行的磁流变阻尼器介入方案，构建基于驱动作用的太阳翼系统多刚体动力学模型和刚柔耦合动力学模型，对比分析太阳翼动能、应变能在阻尼器介入前后的动力学响应，验证磁流变阻尼器介入方案的有效性，并从中选出更为合适的阻尼器介入方案。 (3) 根据太阳翼振动控制需求，设计加工一种盘式磁流变阻尼器，并进行相关性能测试。根据阻尼器工作条件需求，从阻尼器结构布置、材料选择等方面进行盘式磁流变阻尼器结构设计，运用磁路分析法确定阻尼器结构尺寸。分析盘式阻尼器结构特点，考虑加工与试验等因素，加工试验样机并装配。最后，搭建简易试验台架，测试磁流变阻尼器工作性能。结果表明，本文所设计的阻尼器最大阻尼力矩不低于 8.5N-m，满足振动抑制力学性能需求。同时，阻尼力矩随线圈电流变化呈近似线性变化，阻尼器具有良好的可控性。

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